留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

CSNS的kicker电源闸流管触发特性分析

李海波 齐欣 张文庆 沈莉 黄远 林木楠

任鹏飞, 崔朝龙, 刘庆, 等. 基于宽频带温度脉动仪的大气温度起伏谱测量[J]. 强激光与粒子束, 2019, 31: 081001. doi: 10.11884/HPLPB201931.190048
引用本文: 李海波, 齐欣, 张文庆, 等. CSNS的kicker电源闸流管触发特性分析[J]. 强激光与粒子束, 2021, 33: 105003. doi: 10.11884/HPLPB202133.210170
Ren Pengfei, Cui Chaolong, Liu Qing, et al. Measurements of the spectrum of atmospheric temperature fluctuations based on broadband micro-temperature sensor[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2019, 31: 081001. doi: 10.11884/HPLPB201931.190048
Citation: Li Haibo, Qi Xin, Zhang Wenqing, et al. Thyratron trigger characteristics analysis of CSNS kicker power supply[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2021, 33: 105003. doi: 10.11884/HPLPB202133.210170

CSNS的kicker电源闸流管触发特性分析

doi: 10.11884/HPLPB202133.210170
基金项目: 北京市自然科学基金项目(3214065)
详细信息
    作者简介:

    李海波,hbli@ihep.ac.cn

  • 中图分类号: TL507

Thyratron trigger characteristics analysis of CSNS kicker power supply

  • 摘要: 针对中国散裂中子源kicker电源的闸流管,研制了基于大电流脉冲预电离和高压脉冲点火原理的双脉冲触发器,提高了闸流管的触发导通稳定性;同时研究了氢流、灯丝电流及预点火电流等参数对闸流管状态的影响;针对闸流管误漏触发现象,研制了基于单稳态及逻辑门电路构成的误漏触发检测电路,能够对闸流管的状态进行准确分析及预判;最后对kicker脉冲电源系统进行了年度分析总结。
  • 光波在大气中传输时会受到大气湍流的影响,大气湍流的扰动频率通常可以达到上百赫兹。并且,湍流大气中光波传输的理论研究与技术应用都涉及光波或波前时间频谱的高频特征[1]。通常通过测量大气温度场的起伏获取大气光学湍流谱,而高空间波数、位于耗散区的湍流谱不易获得。温度脉动仪是一种测量大气湍流特性的常用仪器,其工作原理为:通过测量温度脉动,可以得到温度起伏谱和湍流的折射率结构常数。常用温度脉动仪一般选取的感应材料为铂丝,它具有响应快速、线性度好、体积小等优点[2]。一般选取直径20 μm或者10 μm的铂丝作为感应材料[3],然而,由于铂丝的响应频率等方面的限制,常规温度脉动仪只能获取20 Hz以下频率的温度脉动信号,无法研究大气一维温度谱的高频特征;美国空军实验室使用两款探空温度脉动仪开展了高空大气湍流强度廓线对比测量实验[4],根据文献提供的参数计算分析,仪器具有较高的响应频率,但是其探头电流增温效应较大,对测量结果的准确性产生一定影响[5]。钨丝具有类似铂丝的线性温度特性,且韧性好、性价比高、温度系数较大,本文提出了一种温度脉动仪的改进设计方案,采用直径6 μm、电阻值20 Ω的钨丝作为感应材料,它在环境温度293 K、风速2 m/s的条件下,响应频率可以达到133 Hz;流过钨丝的电流只有0.5 mA,电流增温对结果影响小;它具有探头体积小、分辨率高、噪声低和受环境影响小等特点。利用改进后的温度脉动仪对实际大气温度起伏进行了观测实验,得到了更宽频率范围的温度起伏信号,获得了不同湍流强度下的温度起伏功率谱,并对其谱幂率进行了统计分析。

    在满足局地均匀各向同性的条件下, 根据Kolmogorov理论[6], 大气中两点间温度的空间结构函数为

    DT(r)=[T(x1)T(x2)]2=C2Tr2/3(l0rL)
    (1)

    式中:空间结构函数用空间两点温差的时间统计平均表示; CT2是温度结构常数。

    大气湍流强度一般用折射率结构常数Cn2表征,Cn2CT2的关系为

    C2n=(79×106pT2)2C2T
    (2)

    式中: p是压强,单位hPa; T是热力学温度,单位K。通过测量空间中两点的温度脉动,并结合式(1)~(2),可以计算出湍流的空间结构参数。

    改进之前的温度脉动仪电路使用单个集成运放实现加减运算功能,它存在两个缺点,一是电阻的选取和调整不方便,二是对于每个信号源的输入电阻均较小[7],影响信号传输的准确性。综合考虑带宽和降噪的要求,本设计采用非平衡电桥和两级差分放大电路对信号进行采集和放大,它具有信号输入电阻大、电阻选取方便和高共模抑制比(CMRR)等特点[8],可降低电路噪声,减少电子元器件对信号的影响,保证信号的准确性。图 1是改进前后的信号采集电路,图中R3R4是感应金属丝,V0是经过恒压处理后的电压源。

    图  1  信号采集放大电路
    Figure  1.  Acquisition and amplification circuit

    传感器的响应频率和风速、传感器的形状以及材料有关,金属丝可看成直径为d,长度一定的圆柱形。表 1给出了在风速2 m/s的条件下,直径6 μm的钨丝的时间常数和响应频率等参数,计算用变量包括:风速u, 钨丝直径d, 粘滞系数υ, 干空气导热系数λg, 钨丝密度ρ, 钨丝比热容c

    表  1  钨丝参数(293 K, 2 m/s,105 Pa)
    Table  1.  Parameters of tungsten wire(293 K, 2 m/s, 105 Pa)
    Re Nu h/(W·m-2·K-1) M/ms fs/Hz R ρ0/(Ω·mm2·m-1) d/μm
    0.797 0.732 3 159.8 1.194 133.29 20 0.055 6
    下载: 导出CSV 
    | 显示表格

    温度脉动信号属于交流信号,所以需要滤除信号中的直流成分,为降低高频噪声对信号的影响,结合表 1给出的直径6 μm的钨丝响应频率为133 Hz,经过计算分析,设计出通带频率范围为0.084~186 Hz的有源带通滤波器,对信号进行滤波处理。

    为验证仪器测量信号的准确性,将振幅为100 mV、频率为60 Hz的源信号衰减104倍,模拟微弱信号,输入到采集电路中,将输出信号与源信号进行对比,如图 2所示,结果表明,经过采集系统的信号没有失真,只有一定时延,对信号采集没有影响。将整个仪器放置在恒温、恒压环境中进行仪器本底噪声测量实验,输出结果按照电压和温度转换关系转化为温度值,测得整个仪器本底噪声等效的温度脉动在0.001 7 K范围内,结果如图 3所示。

    图  2  微弱信号检测
    Figure  2.  Weak signal detection
    图  3  系统噪声
    Figure  3.  System noise

    综上,改进后的温度脉动仪满足测量大气温度起伏的需求。

    在局部均匀各向同性假定的条件下,例如大气温度起伏的一维谱满足-5/3定律[9-10],即

    ST(k)=0.25C2Tk5/3,L0ll0
    (3)

    式中: CT2表示温度结构常数;波数k=2π/l,其中l为温度起伏的空间尺度;L0为湍流的外尺度;l0为湍流的内尺度。式(3)表示的就是所谓的Kolmogorov湍流谱,是波在随机介质中传播理论的一个基础[11]

    根据泰勒假定,频率和波数之间有如下关系

    k=2πf/v

    式中: f为频率;v表示风速。只要分析频率谱就能确定温度脉动功率谱是否和Kolmogorov的-5/3定律一致[3]

    使用传统温度脉动仪测量温度脉动,其温度谱反映的仅是整个谱区间的一部分,大部分针对温度起伏谱特征的研究主要集中在低频部分,而对于更高频率范围内温度起伏谱特征的研究很少。根据上一节的描述,本次实验使用的温度脉动仪测量频率上限可以达到190 Hz,涵盖了大部分大气温度起伏范围,有助于研究温度起伏谱高频部分的幂率特征。

    2018年10月2日至10月6日开展了实际大气温度谱的测量实验,取得大约6700个温度起伏谱。图 4分别是弱湍流、中等湍流和强湍流时的温度起伏谱,分析温度谱发现:温度谱的形状和湍流强度有一定关系,具体表现在,弱湍流时,温度谱的频谱范围小,相较于-5/3谱偏平,随着湍流增强,频率范围变大,温度谱变陡,但幂率不会小于-3。这与文献[12]的结论类似。相较于之前的研究,本次实验探测到的温度起伏谱频率范围更宽,而且依然具有幂率不变的特性。

    图  4  不同湍流强度下的大气温度起伏谱
    Figure  4.  The spectra of atmospheric temperature fluctuations in different turbulences

    为研究温度谱幂率的统计特征,对所有温度起伏谱进行线性拟合,并进行幂率统计。考虑到有限的采样时间所造成的谱型有细小差别以及线性拟合存在误差等不确定因素[3],我们把幂率为-5/3±0.2的谱都认为符合-5/3定律。为便于统计,将所有温度起伏谱在0.1~35 Hz频率范围内线性拟合。统计结果如表 2所示,图 5是温度谱幂率的分布情况。从统计结果可以看出,在0.1~35 Hz频率范围内有52%的温度谱幂率在-5/3±0.2范围内,但是,仍有很多情况不符合Kolmogorov理论,幂率偏离了理论值,表明实际大气中有大量非K湍流存在,这与文献[3, 12-13]的结果一致。

    表  2  6 μm直径的钨丝不同幂率温度谱出现的概率
    Table  2.  Probability distributions of power law measurement with 6 μm tungsten wire
    power law k probability/%
    >-5/3+0.20 1.6
    -5/3-0.20~-5/3+0.20 52.2
    -5/3-0.20 46.2
    下载: 导出CSV 
    | 显示表格
    图  5  直径6 μm温度谱幂率统计(0.1~35 Hz)
    Figure  5.  Probability distributions of power law measurements with 6 μm tungsten wire

    在本次实验期间获得的温度起伏谱中,有许多温度谱在高频部分出现拐点, 以更陡的斜率下降,图 6显示了在不同时刻具有拐点的温度起伏谱。分析发现,在拐点之前,温度起伏谱的幂率在-5/3附近,而拐点之后的幂率严重偏离了-5/3。对比图 6(a)(b),拐点出现的位置和湍流强度有一定的关系。但是,湍流强度并不是拐点向高频方向移动的充分条件,可能和风速、大气层结稳定度等因素有关。实际大气中风速均匀性的假设、冻结湍流假设不能很好地符合,因此频谱的实际分布要比理论预期的复杂[14]。有资料表明,即使充分发展的湍流,温度场的统计特征对大尺度能量的注入、温度梯度和温度速度相关性也特别敏感[15],其表现之一就是随着气候和其他条件的不同,湍流能量谱分布有所变化[13]

    图  6  高频部分有拐点的大气温度起伏谱
    Figure  6.  Atmospheric temperature fluctuation spectra with inflection point in high frequency

    使用宽频带的温度脉动仪对真实大气温度起伏进行了观测实验,结果表明:改进后的温度脉动仪可以探测到更高频率的温度起伏信号,发现湍流具有丰富的高频信息,在高频区间依旧存在幂率不变的特性, 且温度起伏功率谱的形状和湍流强度有一定关系。部分温度起伏功率谱在高频部分出现拐点,而且出现的位置和湍流强度有一定关系,但是拐点出现的原因、影响其位置的因素较为复杂。实际大气中有大量的非Kolmogorov湍流存在,研究非K大气湍流本身特性,对湍流理论、非K大气湍流中光传播效应的数值模拟、非K大气湍流对各种光电工程的影响等方面的研究具有重要意义[16],本文成果可以为建立用于光传播数值模拟的非K湍流模型提供有力支持,并为数值模拟结果的验证工作提供实际测量数据。大气温度起伏谱的高频特性、影响温度谱幂率的因素、温度谱幂率的空间分布特征等问题,还需要进一步的研究。

    致谢: 感谢曾宗泳老师在电路设计方面的指导,感谢吴晓庆老师在温度谱分析方面的建议。
  • 图  1  引出kicker脉冲电源结构图

    Figure  1.  Structure of kicker pulse power supply

    图  2  CX1925X闸流管结构图及实物

    Figure  2.  The structure of pulse power supply and photo

    图  3  闸流管双路触发高压脉冲及触发器与闸流管连接示意图

    Figure  3.  Schematic diagram of high voltage pulse triggered by thyratron and connection between trigger and thyratron

    图  4  闸流管双脉冲触发器的电路框图

    Figure  4.  Circuit block diagram of thyratron double pulse trigger

    图  5  闸流管触发器测试平台

    Figure  5.  Thyratron trigger test platform

    图  6  触发器空载及带闸流管负载下的输出波形

    Figure  6.  Output waveform of trigger under no load and thyristor load

    图  7  闸流管负载下的预点火电流波形

    Figure  7.  Output waveform of trigger under no load and thyristor load

    图  8  触发器G2输出脉冲上升沿及抖动

    Figure  8.  Rising edge and jitter of G2 output pulse when no load

    图  9  不同灯丝电流、氢流参数下预点火电流波形变化

    Figure  9.  Variation of preignition current waveform under different reservoir heater current, cathode heater current

    图  10  闸流管误漏触发检测电路原理及逻辑

    Figure  10.  Principle and logic of thyratron mis-conduction and leak conduction

    图  11  最近三年运行kicker脉冲电源系统故障时间、闸流管误/拒触发次数、闸流管目前使用寿命

    Figure  11.  Fault time number,false / refused triggering and current service life of thyristor of kicker pulse power supply

    表  1  引出kicker脉冲电源设计指标

    Table  1.   Design index of kicker pulse power supply

    excitation current/Arise time/nsflat top width/nsrepetition rate/Hzflat top flatness/%
    6660<265>60025<±1
    下载: 导出CSV

    表  2  CX1925X闸流管参数表

    Table  2.   CX1925X thyratron parameters

    peak forward anode voltage/kVpeak forward anode current/kApeak reverse anode current/ kArate of rise of current/(kA/s)
    801510100
    下载: 导出CSV

    表  3  双路触发高压脉冲参数

    Table  3.   Parameters of double trigger high voltage pulse

    Grid 1 pulse voltage/VGrid 2 pulse voltage/VGrid 2 rate of rise/kV/sGrid 2 delay/sGrid 1 current/A
    600~20001000~2000>100.5~3.010~25
    下载: 导出CSV

    表  4  CSNS/RCS引出kicker脉冲电源年度统计

    Table  4.   Annual statistics of kicker pulse power failure

    triggergrid1 pulse voltage/Vgrid2 pulse voltage/Vrate of rise grid2 pulse/(kV/s)grid1 drive current/Ajitter/nsfailure time/h
    self developed trigger150022003810~2521.3
    MA2709A800160018155
    trigger210001500171555.63
    下载: 导出CSV
  • [1] Wei Jie, Fu Sinian, Tang Jingyu. China Spallation Neutron Source-an overview of application prospects[J]. Chinese Physics C, 2009, 33(11): 1033-1042. doi: 10.1088/1674-1137/33/11/021
    [2] 唐靖宇, 邱静, 王生, 等. 北京散裂中子源RCS注入系统物理设计和研究[J]. 高能物理与核物理, 2006, 30(12):1184-1189. (Tang Jingyu, Qiu Jing, Wang Sheng, et al. Physics design and study of the CSNS RCS injection system[J]. High Energy Physics and Nuclear Physics, 2006, 30(12): 1184-1189 doi: 10.3321/j.issn:0254-3052.2006.12.007
    [3] 池云龙, 王玮. CSNS引出冲击磁铁脉冲电源设计[J]. 中国物理C, 2008, 32(S1):25-27. (Chi Yunlong, Wang Wei. Design of pulse power supply for CSNS extraction kicker magnet[J]. Chinese Physics C, 2008, 32(S1): 25-27
    [4] 魏智. 发射机高压脉冲调制器的设计与实践[M]. 北京: 电子工业出版社, 2009

    Wei Zhi. Design and practice of transmitter high voltage pulse modulator[M]. Beijing: Electronic Industry Press, 2009
    [5] 东冲. 线型脉冲调制器理论基础与专用电路[M]. 北京: 国防工业出版社, 1978

    Dong Chong. Theoretical basis and special circuit of linear pulse modulator[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 1978
    [6] Kamiya J, Takayanagi T, Watanabe M. Performance of extraction kicker magnet in a rapid cycling synchrotron[J]. Physical Review Accelerators and Beams, 2009: 072401.
    [7] Saethre R, Blokland W. Timing measurements of the extraction kicker system at the Spallation Neutron Source[C]//Pulsed Power Conference. 2013.
    [8] 王群要, 高大庆, 上官靖斌, 等. 重离子加速器Kicker电源监测系统设计与实现[J]. 计算机测量与控制, 2006, 14(9):1188-1190. (Wang Qunyao, Gao Daqing, Shangguan Jingbin, et al. Design and accomplishment of monitoring system in kicker power supply of HIRFL[J]. Computer Measurement and Control, 2006, 14(9): 1188-1190 doi: 10.3321/j.issn:1671-4598.2006.09.024
    [9] 陈锦晖. 双脉冲闸流管触发器研制[J]. 原子能科学技术, 2013, 47(12):2370-2374. (Chen Jinhui. Research and development of dual pulse thyratron trigger[J]. Atomic Energy Science and Technology, 2013, 47(12): 2370-2374 doi: 10.7538/yzk.2013.47.12.2370
    [10] Watanabe M, Kamiya J, Suganuma K, et al. Operation of kicker system using thyratron of the 3 GeV rapid cycling synchrotron of J-PARC[C]//Proceedings of IPAC’10. 2010: 3296-3298.
    [11] Morris B, Saethre R. Thyratron stability improvements of SNS extraction kicker system[C]//IEEE International Power Modulator and High Voltage Conference (IPMHVC). 2016.
    [12] 尚雷, 陆业明, 冯德仁, 等. 40 kV/20 kW开关型脉冲成形网络充电高压电源[J]. 强激光与粒子束, 2003, 15(7):697-700. (Shang Lei, Lu Yeming, Feng Deren, et al. Development of a 40 kV/20 kW, switching-mode pulse forming network charging power supply[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2003, 15(7): 697-700
    [13] 王莹. 高功率脉冲电源[M]. 北京: 原子能出版社, 1991

    Wang Ying. High power pulse power supply[M]. Beijing: Atomic Energy Press, 1991
    [14] Reghu T, KumarM, Verma A, et al. A double output pulsed high current thyratron driver[J]. Review of Scientific Instruments, 2012, 83(11): 1-4.
    [15] Hydrogen Thyratrons Preamble (E2V Technologies Ltd, UK, 2002)[Z]. 2002.
  • 期刊类型引用(6)

    1. 车锐,刘仕倡,田卓,陈义学. 基于SINBAD聚变基准题的cosRMC程序屏蔽计算研究. 核技术. 2024(05): 75-85 . 百度学术
    2. 张芳,董志伟,柴辰睿,周海京,安建祝,赵强,薛碧曦. 基本舰船结构的辐射屏蔽因子研究. 强激光与粒子束. 2024(12): 125-132 . 本站查看
    3. 刘鹏,史敦福,李瑞,付元光,邓力. 基于蒙特卡罗程序JMCT模拟计算堆芯物理基准题VERA. 原子能科学技术. 2023(06): 1131-1139 . 百度学术
    4. 刘利,左应红,牛胜利,朱金辉,李夏至. 中子在大气中产生氮俘获γ的蒙特卡罗模拟研究. 强激光与粒子束. 2022(08): 162-168 . 本站查看
    5. 黎辉,王梦琪,郑征. CAP1400核电厂堆腔辐射漏束屏蔽设计研究. 核科学与工程. 2021(02): 230-235 . 百度学术
    6. 李锐,张显,刘仕倡,全国萍,秦瑶,严伊蔓,陈义学. 蒙特卡罗粒子输运程序cosRMC的深穿透屏蔽计算研究. 原子能科学技术. 2021(S1): 82-87 . 百度学术

    其他类型引用(1)

  • 加载中
图(11) / 表(4)
计量
  • 文章访问数:  1118
  • HTML全文浏览量:  431
  • PDF下载量:  55
  • 被引次数: 7
出版历程
  • 收稿日期:  2021-05-01
  • 修回日期:  2021-09-10
  • 网络出版日期:  2021-10-26
  • 刊出日期:  2021-10-15

目录

/

返回文章
返回